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Étude sommaire de l’interaction nucléon-nucléon sur un modèle électrodynamique simplifié de nucléon
J. Charon
To cite this version:
J. Charon. Étude sommaire de l’interaction nucléon-nucléon sur un modèle électrodynamique simplifié de nucléon. J. Phys. Radium, 1956, 17 (10), pp.887-892. �10.1051/jphysrad:019560017010088700�.
�jpa-00235572�
887
ÉTUDE SOMMAIRE DE L’INTERACTION NUCLÉON-NUCLÉON
SUR UN MODÈLE ÉLECTRODYNAMIQUE SIMPLIFIÉ DE NUCLÉON
Par J. CHARON,
Commissariat à l’Énergie Atomique, Saclay.
Sommaire.
2014On considère
unnucléon constitué par
unensemble de charges e+ et
e2014 en mouve-ment l’une par rapport à l’autre. On montre que
cescharges peuvent posséder
uneénergie de
liaison négative si leur vitesse est voisine de celle de la lumière. On étudie ensuite l’interaction nucléon-nucléon
enconsidérant celle-ci
commeconstituée essentiellement par l’énergie d’échange
des électrons des deux nucléons. On montre que cette énergie correspond à une attraction pour toutes les interactions (n, p), (n, n), (p, p). (États 1S0 et 3S1). La liaison (n, p) dans l’état 3S1 montre
que l’énergie d’échange est plus grande que pour |(n, n) et (p, p) ;
onfait enfin l’hypothèse
d’une liaison électrostatique de forme coulombienne pouvant également s’ajouter à l’énergie
d’échange pour (n, p) ;
onjustifie cette hypothèse
enretrouvant par
cemoyen le moment angulaire nucléaire, le rayon, l’énergie de liaison et le moment électrique quadrupolaire du deutéron ainsi que l’énergie totale de liaison de la particule
03B1.JOURNAL PHYSIQUE 17, OCTOBRE 1956,
I. Modèle de nucléon.
-Nous considérons un
nucléon constitué par un ensemble de charges B+
et p- en mouvement l’une par rapport à l’autre.
Nous ne ferons aucune hypothèse sur la dis- position précise des charges l’une par rapport à
l’autre. Cette disposition peut être, à l’image de l’atome, un noyau positif et des couches d’électrons
.négatifs en mouvement autour de ce noyau.
Toutefois, pour que les paquets d’ondes corres- pondant à ces charges puissent être contenus à
l’intérieur d’une .sphère de rayon de l’ordre de
1,4. 10-13 cm, il faut supposer qu’aucune charge
n’est au repos, mais qu’elles sont toutes en mouve-
ment à une vitesse voisine de celle de la lumière.
Cela suggérerait une disposition possible ,en
chaîne (fig. 1), l’ensemble de cette chaîne étant elle-même animée d’un mouvement de rotation autour d’un centre de symétrie.
F’IG. 1.
Quoi qu’il en soit, nous nous limiterons aux
hypothèses essentielles suivantes :
1) Dans le neutron, l’ensemble du nucléon est
électriquement neutre.
2) Dans le proton, le nucléon a perdu une charge e- et est donc chargé positivement de + e (1).
Nous admettrons qu’une charge e+ ou -e
du nucléon est soumise à un potentiel de la
(1) Il est possible d’envisager, sur
cemodèle, les dif-
férentes sortes de mesons comme des produits de la
«fission»
du nucléon. On voit alors que
cesmésons auront des masses
intermédiaires entre celles de l’électron et du neutron et
pourront être soit neutres, soit comportant une charge +
eou
- e.
forme possédant une symétrie sphérique,
c’est-à-dire que § ne dépend que de r. Nous recher- cherons d’abord s’il est possible de trouver une
valeur raisonnable de Z (Z 900 par exemple)
pour laquelle l’une quelconque de ces charges e+
ou e- serait liée d’une façon stable au nucléon.
En première approximation, nous nous conten-
terons d’utiliser l’approximation des relations de la
mécanique relativiste.
L’énergie cinétique de la charge e+ est :
v
v
=vitesse de l’électron, B =-, mo
=masse au
c
repos de l’électron.
L’énergie potentielle est :
L’équilibre électrostatique de la charge s’écrit :
et (1) s’écrit :
d’où l’énergie totale de liaison B :
La relation de Bohr nous indique que le mouve- ment des charges et ne peut avoir lieu que sur des orbites r telles que :
n étant un entier et
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019560017010088700
888
La comparaison de (3) et (6) donne :
et :
Si l’on a r 1,4.10-13 cm, on a :
quel que soit n. Nous aurons donc :
oc
désignant la constante de structure fine :
En faisant n = 1, on aura donc :
On note alors que, dans un tel système, un potentiel sphérique :
pourrait maintenir une charge + e sur une orbite stable, quelle que soit la distance r de la charge au
centre du nucléon.
Les relations (7) et (10) nous indiquent alors que la vitesse des charges :1: e à l’intérieur du nucléon est :
n
#
c(14)
condition qui était indispensable. La relation (5)
de la charge nous montre que l’énergie totale de
haison est alors :
-B M,C2. (15)
Cette énergie est négative, la charge + e est
liée au nucléon.
On notera, d’après (5), qu’une. légère diminution
de v (perturbation nucléon-nucléon par exemple)
rend B positif et que la charge considérée est alors
expulsée du nucléon.
II. Interaction nucléon-nucléon.
---Nous nous limiterons au cas de l’interaction de deux nucléons dans des états 1So ou 381. Compte tenu du principe
d’exclusion de Pauli, les états 1So (spins anti- parallèles, moment orbital 1
=0) pourront être
réalisés pour les trois liaisons (n, n), (n, p) et (p, p),
mais les états 3S1 (spins parallèles, moment orbi-
tal 1
=0) seront réservés aux liaisons (n, p)
seulement.
Nous admettrons, compte tenu du modèle de nucléon proposé, que lorsque deux nucléons sont voisins l’un de l’autre (distances de l’ordre de 10-13 cm), il peut y avoir phénomène d’rechange
d’un électron périphérique entre chaque nucléon.
Nous aurons donc une liaison analogue à la liaison homopolaire de la molecule H 2. Les propriétés de
saturation de la liaison H-H vont s’appliquer également à la liaison nucléon-nucléon. Mais alors que pour H 2 l’énergie potentielle de liaison de l’électron d’échange est e " 2 r elle va être ici
ke2(k r > 1), ke desi ke désignant g la charge effective agis- ge effective e
sant sur l’électron d’échange. Cette valeur de k
dépend naturellement de la disposition des charges + et
-à l’intérieur du nucléon, disposition
sur laquelle nous n’avons fait aucune hypothèse précise. Il convient toutefois de noter que l’action du nucléon sur une charge incidente n’est pas forcément la même que l’action du nucléon sur une de ses charges constitutives. Il semble, comme
nous le verrons plus loin, qu’une valeur correcte
de k rendant compte des résultats expérimentaux’
puisse être :
Désignons par a et b les deux nucléons, 1 et 2 les
électrons d’échange se rapportant respectivement
à ces nucléons a et b. L’électron du premier nucléon peut être représenté par la fonction d’onde à symé-
trie sphérique §a(1), celui du second par la fonc- tion b(2). Nous admettrons que, dans un état non
perturbé, §a(1) peut se représenter sous la forme :
rIa désignant la distance de l’électron au centre de
son nucléon, a le rayon normal définissant la plus grande probabilité de présence de l’électron non
perturbé.
Nous aurons, avec les mêmes définitions :
Désignons par H l’hamiltonien représentant le système des deux nucléons, § la fonction d’onde
de ce système. L’énergie d’interaction des deux nucléons va alors être :
dr désignant l’élément de volume, les intégrations
étant étendues à tout l’espace.
Le problème consiste alors à déterminer approxi-
mativement la fonction d’onde §.
Nous considérerons ce problème dans le cas simplifié suivant :
1) Nous utiliserons les fonctions d’onde non
perturbées §a(1) et yb(2) comme s’il n’existait pas
de perturbation mutuelle.
2) Nous négligerions les effets relativistes.
Nous devons alors prendre pour Ç les combi-
naisons symétriques et antisymétriques suivantes :
L’hamiltonien H du système s’écrit :
.Rab désigne la distance des centres des deux
2
.nucléons. Le terme - représente simplement la
r12
répulsion des deux électrons et ne comporte par
conséquent q pas le coefficient p k. Le terme ke2 Rab 2 repré- p sente la répulsion des deux nucléons dépossédés de
.leur électron d’échange (nous avons conservé pour
ce terme, en première approximation au moins, le
même coefficient k).
En reportant (19) et (20) dans (18), on trouve
deux valeurs pour W correspondants aux neutrons
à spins antiparallèles yys et à spins parallèles WA (états symétriques et antisymétriques)
WN désignant l’énergie totale du nucléon non
perturbé, D étant le coefficient de normalisation de la fonction d’onde :
et W1l représentant l’interaction coulombienne, W12 l’énergie d’échange :
Les intégrations donnent pour D et W11 :
Pour l’intégration de W12, nous utiliserons
l’approximation obtenue par Sugiura (Z. Physik, 1927, 45, 484) pour le problème analogue d’énergie d’échange de H 2.
On obtient :
où :
y est la constante d’Euler :
et Ei(x) est l’intégrale logarithmique :
Nous avons reporté sur un graphique (fis. 5) les
résultats des calculs obtenus pour WA et Ws (ou plus exactement (WA - 2WN) et (Ws - 2 WN))
en fonction de la distance Rab des deux nucléons et avec, pour le paramètre k, la valeur k
=7.
On remarque immédiatement que pour des dis- tances entre nucléons inférieures à 4a (a
=rayon du nucléon), on a des valeurs négatives corres- pondant à une action attractive nucléon-nucléon pour à la fois WA et Ws.
Examinons plus en détail et séparément chaque
état.
1) WS·
-’SPINS ANTIPARALLÈLES.
-Ce mode d’interaction correspondant à l’état 180 du système s’applique à la fois aux trois liaisons (n, n), (n, p) et (p, p). L’état d’équilibre correspond à une dis-
tance entre nucléons de l’ordre de a et une énergie
de liaison de l’ordre de 1 MeV.
Pour des distances nucléon-nucléon inférieures à Rab = a, Ws devient rapidement positif, l’inter-
action se traduit pàr une force répulsive. Notons
que les forces nucléaires attractives (n, n) et (p, p)
sont égales.
2) WA. -SPINS PARALLÉLES.-CemOded’lnter-
.action s’applique seulement à la liaison (n, p) dans
l’état triplet 351. Contrairement à ce que l’on obtient pour la liaison H-H pour laquelle Wg est toujours positif (répulsion), on voit qu’ici WA
affecte une forme plus compliquée. On a d’abord
une attraction jusqu’à Rab # 2,3 a, l’énergie de
liaison étant alors de l’ordre de 0,75 MeV. Puis on
voit apparaître une barrière de potentiel présentant
un maximum pour Rab
=2a (nucléons en contact)
l’énergie potentielle répulsive étant de l’ordre
890
de 3,1 MeV. Pour des distances inférieures à 2a, WA tombe alors très rapidement pour atteindre
un minimum de
-7,4 MeV environ pour Rob =1,8 a. Quand Rab diminue encore, WA varie
en présentant deux autres minima (Rab =1,2 a, Wg - - 9,8 MeV et Rab - 0,75 a, WA --14,4 MeV) avant de remonter rapidement et
devenir répulsif pour Rab 0,5 a. Il ne faut pro- bablement attribuer de signification physique qu’au premier maximum .lll (Rab = 2a) et aux
deux premiers minima m1 (Rab = 2,3 a) et
m2 (Rab =1,8 a) de la courbe WA
=f (Rab). On
voit que deux nucléons se trouvant dans des états
correspondant à m2 nécessitent une énergie totale
’
de 7,4 + 3,1 =10,5 MeV pour leur séparation.
Pour un ensemble de particules neutron-proton, l’énergie totale de liaison sera d’autre part de
l’ordre d’environ 7,4 MeV par nucléon.
CARACTÈRE DE SATURATION DE CES LIAISONS.
-Les différents modes d’interaction nucléon-nucléon que nous venons d’étudier sont saturés par une seule liaison pour tous les états 180. Nous noterons
que l’énergie de liaison est cependant relativement faible (# 1 MeV), donc les systèmes formés sont probablement instables.
Pour la liaison (n, p) dans l’état triplet 3S 1, la
saturation a lieu avec deux liaisons. On peut en
effet avoir l’assemblage (les flèches indiquant symboliquement les spins).
Mais, comme nous venons de le remarquer, les liaisons à spins antiparallèles sont de nature ins-
table. De plus, cela ne permet pas de rendre com-
pte de l’assemblage très stable de quatre nucléons
dans la particule
a.Nous allons donc faire une
hypothèse complémentaire concernant la liaison
(n, P).
III. Liaison (n, p) électrostatique.
-Le modèle
que nous avons proposé pour le proton est celui
d’un neutron qui aurait perdu un électron. Cela
revient à faire jouer un rôle particulier à un positron
dans la structure du proton. Nous admettrons que la charge + e du proton n’est pas répartie
uniformément dans le nucléon, mais localisée
sous forme d’un positron individuel, c’est-à-dire que le proton se présenterait scus forme de l’as- sociation d’un neutron (ayant perdu un couple positron-électron) et d’un positron. En d’autres termes, cela veut dire que nous supposons que la
probabilité de présence du positron n’est pas
également répartie dans tout le volume du nucléon,
mais est presque entièrement localisée dans un
petit volume situé à une distance r = a du centre du nucléon (2).
La grande stabilité de la particule
aaussi bien
que le moment magnétique négatif du neutron nous
conduisent alors à admettre que le positron ainsi
localisé dans le proton peut exercer sur un neutron
une action électrostatique attractive de la forme W ke2 ke2 pour des distances R ab entre
r
nucléons de l’ordre des dimensions nucléaires.
A unc certaine distance de séparation (n, p), il
y aurait désaccouplement des spins des particules
en présence et la force attractive tomberait prati- quement à zéro. On a également représenté sur le graphique de la figure 5, le potentiel (n, p) qui peut
se mettre sous la forme :
en désignant toujours par a le rayon du nucléon.
(On écrit Rab - a) et non Rab seulement puisque
l’on admet que l’attraction à lieu, en fait, entre positron périphérique et neutron.) On prend pour a la valeur :
En choisissant encore pour le paramètre k la
valeur k
=7, on voit que pour ,Rab
=2a, on a l’énergie de liaison électrostatique (n, p) :
Un modèle de particule
apourrait alors com- porter au total quatre liaisons (spins des nucléons parallèles ou antiparallèles) dont deux seraient de nature électrostatique et deux autres énergie d’échange.
FIG. 2.
On a figuré schématiquement la parti-
cule
oc(fig. 2) en hachurant les protons et en indiquant symboliquement les spins de chacun des
nucléons par des flèches. Les liaisons d’échange correspondent aux minima m2 de l’énergie de liaison, etl’énergie de liaison totale de la particule
aserait dans ce modèle :
Ba
=2 x 7,4 + 2 x 7,2
=29,2 MeV (28 bis)
ce qui est de l’ordre de grandeur de la valeur
expérimentale (28,1 MeV).
(2) On admet cependant que le spin propre d’ensemble
du proton constitué par neutron + positron reste 1/2.
891
Nous allons vérifier sommairement cette possi-
bilité d’un lien électrostatique proton-neutron en
examinant avec cette hypothèse le deutéron.
FIG. 3.
Cette particule
«se casse » relativement faci- lement (stripping) ce qui laisse prévoir une liai-
son (n, p) relativement faible. On peut donc sup- poser une disposition selon laquelle les deux
nucléons seraient séparés par une distance 2a + 2d ( fig. 3). L’accouplement des spins permet de consi- dérer le deutéron comme un système rigide
tournant autour de son centre de gravité avec une
vitesse angulaire û) et un moment d’inertie I tels que :
le moment angulaire total étant 1.
1En première approximation, nous pouvons effectuer une étude de l’équilibre électrostatique
de ce système au moyen de la mécanique classique.
On a (avec u
=masse du nucléon) :
et :
Les relations (29), (30, (31) fournissent,
avec k
=7 et a = 1,4.10-13 cm :
soit une distance totale D entre nucléons de l’ordre de :
L’énergie potentielle est alors :
L’énergie cinétique du système est :
L’énergie de liaison du deutéron est donc :
.
La valeur expérimentale est
-2,2 MeV.
Calculons enfin le moment quadrupolaire élec- trique ; il est donné par sa définition :
où 8 est la densité de charge, 1 la distance au centre
de rotation de l’élément de volu me dr et z la
projection de 1 sur l’axe de spin de la particule.
On a ici z = 0, l = d, Z= 1, 8 = e, d’où :
La valeur expérimentale mesurée par Rabi, Kellog et Ramsey est :
qexp
=+ 0,276.10-26 cm2.
La valeur calculée (35) correspbnd donc exac-
tement à la valeur obtenue expérimentalement par
Kellog, Rabi et Ramsey, mais avec une inversion
de signe. En admettant que la coïncidence numé-
rique ne soit pas fortuite (le seul paramètre arbi-
traire pour les résultats (28 bis), (32), (33) et (35)
étant k) nous allons examiner plus en détail le , problème du signe du moment quadrupolaire
électrique.
On notera que, par rapport à l’axe de spin
considéré du deutéron, le moment électrique
resterait négatif même si l’on supposait une répartition uniforme de la charge, + e sur la surface du proton (on obtient dans ce cas :
Pour obtenir un moment
positif, il faut supposer une répartition uniforme
de la charge à l’intérieur d’un modèle de deutéron
se présentant comme un ellipsoïde dont l’axe de
spin serait le grand axe. Ce modèle paraît sur- prenant compte tenu du fait que l’on devrait s’attendre (si l’on veut attribuer un minimum de
sens physique au modèle envisagé) a avoir pour
axe de spin le petit axe de l’ellipsoïde.
On peut tenter d’échapper à cette difficulté par le moyen suivant.
Considérons les spins intrinsèques du proton et
du neutron entrant dans la composition de deu-
téron. En présence d’un champ magnétique, les
axes des spins de ces deux particules s’orientent dans le sens du champ. Si l’on se place dans un
Univers spatio-temporel, on peut également ad-
mettre que l’axe de spin propre d’un nucléon est
toujours orienté selon l’axe des temps de cet Uni-
vers. On peut alors schématiquement représenter
notre modèle de deutéron comme ci-contre (fig. 4),
les deux nucléons étant séparés par la dis- tance 2d + 2a ; on a également figuré par des cercles orientés perpendiculaires à l’axe des temps
les sens de rotation dans l’espace des deux nucléons.
On comparera cette hypothèse avec l’étude faite par L. Biendenharm (Phys. Rev., 1951, 82, 100) qui montre que l’équation de Dirac conduit à la
conclusion que la charge d’un électron change de signe quand on inverse l’axe des temps.
Notons bien que, dire que l’axe de spin d’une
particule est orienté suivant l’axe des temps
implique que la particule estquadridimensionnelle,
892
donc que sa masse totale est répartie sur un certain
intervalle de temps ; ou, ce qui revient au même, qu’à un instant donné, sa masse se trouve répartie
à l’intérieur d’un certain volume autour d’un point donné, ce volume pouvant excéder celui que l’on
pourrait définir par les caractéristiques géo- métriques spatiales de la particule. Ce point de
vue semble pouvoir se concilier avec celui de la mécanique ondulatoire (3).
Nous sommes alors en droit de nous poser la
question suivante : Quels sont les effets de ce mouvement de spin autour de l’axe des temps au point de vue du moment quadrupolaire électrique
de la particule ? (et de son moment dipolaire magnétique). Ces effets ne vont-ils pas conduire à modifier le calcul du moment quadrupolaire électrique d’un ensemble de particules ?
Dans l’affirmative, la disposition par rapport à
l’axe de spin des charges dans l’espace ne suffirait
pas pour fournir le moment quadrupolaire puisqu’il
faudrait en même temps tenir compte de la dispo-
sition et du mouvement de ces charges dans le temps.
1
En effet le mouvement autour d’un axe des temps
a pour conséquencé un mouvement dans l’espace
(de même que tout mouvement dans l’espace à
vitesse finie correspond à un mouvement dans le
FIG. 4.
temps). On constate (fig. 4) que, pour chaque particule, le mouvement de rotation dans le temps
s’effectue autour d’un axe parallèle à l’axe des temps et passant par le centre de symétrie spatial de
chacune des pàrticules.,On peut alors conduire nos
hypothèses plus avant et admettre que pour tenir
compte du mouvement dans l’espace correspondant
au mouvement dans le temps on pourra considérer que le mouvement spatial s’effectue, pour un ensemble de particules, autour d’un axe (si il existe) joignant les centres des différentes particules
constituantes.
Dans le modèle que nous avons proposé pour le deutéron, cet axe existe, c’est l’axe longitudinal de
l’ensemble. On conduira donc ici le calcul du (3) On peut montrer que, pour tenir compte à la fois de
l’aspect quadridimensionnel et du7mouvement de spin de la particule,
on seraconduit à décomposer la
massetotale de
cette particule en 4 composantes d’un spineur. (Voir, dans
ce